Способ ионно-лучевой обработки режущего инструмента из твердых сплавов

НИЯ 2 08,01,9 лещенко К.П.,И ОБРАНТА ИЗ О митет Российской Федерации патентам и товарным знакам(71) Институт физики прочности и материаловедения СО АН СССР(56) Авторское свидетельство СССР 1 М1324325, кл, С 22 С 29/00, 1986.(54) СПОСОБ ИОННО-ЛУЧЕВОБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕТВЕРДЫХ СПЛАВОВ(57) Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов соспециальными свойствами, в частности кспособам повышения износостойкости рабочих поверхностей инструментов, изготовленных из твердых сплавов, Цельюизобретения является повышение износо(19 БЮ (11) 1707997 (1 з) А 1(51) 6 С 23 С 14/48 стойкости рабочих поверхностей режущего инструмента за счет создания в поверхностных слоях объемной конструкции твердых растворов замещения. Способ позволяет повысить стойкость твердосплавого режущего инструмента до 5 раз по сравнению с исходным твердосплавным инструментом за счет того, что обработку поверхности производят путем ионной имплантации циркония и молибдена с энергией в диапазоне 25 - 45 кэВ и дозой 510 -10 ион/см . Причем вначале про 16 1 В гводят облучение ионами циркония, затем ионами молибдена и снова ионами циркония. Кроме того, азотирование поверхности производится в диапазоне энергий 5 - 10 кэВ при давлении 2 - 710 Па в течениеИзобретение относится к электронно-лучевым технологиям получения материачов со специальными свойствами, а именно к способам повышения износостойкости рабочих поверхностей инструментов, изготовленных из твердых сплавов.Целью изобретения является повышение износостойкости рабочих поверхностей режущего инструмента за счет создания в поверхностных слоях объемной концентрации твердых растворов замещения.Эта цель достигается тем, что после азотирования и очистки поверхности, согласно изобретению, производят последовательную имплантацию ионами циркония, молибдена с энергией ионов в диапазоне 25 - 45 кэВ и дозой 510 -10 ион/см , причем1 б 18 2 в нача 1 е проводят облучение ионами циркония, затем ионами молибдена и снова циркония. Кроме того, азотирование поверхности производится энергией 5 - 10 кэВ при давлении 710 -210 мм рт.ст, в-4 -4течение 5 - 7 мин.Использование для имплантации ионов+ + +Хг, Мо, Хг обусловлено возможностью создания твердых растворов замещения и значительной карбидо- и нитридообразующей способностью этих металлов. Поэтому помимо образования твердых растворов возможно образование соответствующих соединений. Внедренные в матрицу ионы циркония являются своеобразными центрами образования твердых растворов, при этом происходит сильное разупорядочение структуры поверхностно слоя. Последующая имплантация+ионами Мо стабилизирует разупорядоченное состояние, а также позволяет сместить атомы Хг из узлов решетки. В следующей операции облучения ионами Хг+ происходит "вколачивание" атомов Мо в более глубокие слои за счет эффективности атомов отдачи. Это обеспечивает перемешивание и обмен внедренными атомами Хг и Мо, в результате чего их концентрации выравниваются.На фиг. 1 показаны концентрированные профили внедренных элементов (совпадение концентрационных кривых подтверждает наличие в поверхностном слое твердого раствора замещения); на фиг. 2 и 3 зависимости стойкости инструмента от скорости резания.При обработке режущего инструмента предлагаемым способом переходного слоя не образуется. В этом - одно из основных преимушеств и существенных отличий метода ионной имплантации циркония-молибдена-циркония по сравнению с прототипом.+ + +Упрочнение ионами Хг -Мо -2 г твердосплавных режущих инструментов позволяет существенно повысить их стойкость при резании титановых сплавов БТЗи БТ 22 (см. фиг. 2 и 3), Причем наибольший эффект наблюдается в области высоких скоростей резания. Это свидетельствует о снижении адгезионно-диффузионных процессов между инструментом и обрабатываемым материалом.Исследования процесса резания показали, что в результате обработки инструмента+ + + ионными пучками состава 2 г -Мо -2 г происходит уменьшение зоны вторичных деформаций, что является следствием снижения степени адгезионного взаимодействия между стружкой и передней поверхностью режущего инструмента. Излучение зоны вторичных деформаций (прирезцового слоя стружки) проводили на продольных шлифах стружки, откуда видно, что у стружки, полученной имплантированным инструментом, отсутствует ярко выраженный прирезцовый слой, связывающий элементы стружки между собой.Измерение составляющих силы резания показало, что их уровень при резании имплантированным инструментом по сравнению с исходным снижается. При этом наибольшее снижение было зафиксировано для составляющей К,у, отражающих характер трения. Сравнительная оценка удельной силы трения дР, проведенная при резании титанового сплавав ВТ 3-1, позволила установить, что значения ЯРимп имплантации1меньше во всем исследуемом диапазоне скоростей резания (подача 5 = 0,14 мм/об, глубина резания= 1,5 мм). Снижение адгезионно-диффузионных процессов после+ +, +упрочнения ионами г фд г подтверждается результатами исследования изношенных поверхностей режущего инструмента. Изношенная площадка контакта имплантированного инструмента характеризуется меньшим количеством адгезионных вырывов.Исследование режимов имплантации и испытаний обработанных твердосплавных пластин позволило выбрать оптимальные режимы облучения по дозе и энергии ионов (см. табл. 1). Указанный нижний порог дозы 510 ион/см при энергии свыше 30 кэВ1 б 2обеспечивает некоторое повышение износостойкости. Однако уже при этой дозе при низких энергиях (25 кэВ) эффекта не наблюдается, поэтому снижение дозы нецелесообразно. С физической точки зрения это объясняется неэффективностью образования1707997 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ твердых растворов замещения при низких дозах и энергиях (ниже 25 кэВ),Верхний предел по дозе ограничен явлениями "распухания" и охру пчивания металла, которые наблюдаются при увеличении дозы, что проявляется в снижении механических характеристик. Увеличение энергии до свыше 45 кэВ также нецелесообразно, поскольку появляется вероятность дополнительной ионизации полем ионов металла и в пучке появляются многократно+ +нионизованные ионы 2 г, Ег, что приводит к возрастанию фактической энергии ионов в 2 - 3 раза. В этом случае уже сказывается взаимодействие на электронном уровне. Эти процессы отрицательно проявляются на механических характеристиках; наблюдаются увеличение удельной силы трения при резании сплавав ВТЗи снижение износостойкости пластин по сравнению с износостойкостью пластин, обработанных в оптимальных режимах до 45 кэВ.Предварительные очистка и азотирование изделий осуществляются в вакууме на несколько порядков выше, чем в прототипе, а именно Р = 710 -210 Па при напуске-г -газота и напряжения смещения 5 - 10 кэВ. Эти пределы выбраны опытным путем. В табл. 2 приведены данные экспериментов.Пример. Твердосплавные четырехгранные пластины помещают в вакуумный объем, откачиваемый вакуумными насосами: форвакуумным и диффузионным паромасляным. Платформа, на которой крепятся резцы, вращается вокруг своей оси и относительно катодов. Катодный узел включает два катода из циркония и молибдена, которые могут поочередно включаться в работу при подаче соответствующего напряжения смещения и напряжения на поджигающий электрод для поджигания и горения дуги. Вакуумный объем откачивается до давления 10 мм-5 рт.ст. и напускается газообразный азот до давления 210 мм рт.ст. Затем на катоде поджигается дуга и подается напряжение смещения 5 - 10 кэВ с целью очистки 1, Способ ионно-лучевой обработки режущего инструмента из твердых сплавов, включающий азотирование поверхность ин-. струмента и обработку поверхности переходными металлами, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости рабочих поверхностей режущего инструмента за счет создания в поверхностных слоях обьемной концентрации твердых растворов замещения, обработку поверхности проводят последоваповерхности и активации. Эта операция осуществляется в течение 5 - 7 мин. После этого подается ускоряющее напряжение 25- 45 кВ, Обработка длится в зависимости от выбранной дозы 5 - 25 мин. В конкретном примере исполнения суммарная доза 510 ион/см набирается за 18 мин. Вначалегподжиг подается на циркониевый катод и в течение б мин ведется облучение ионами циркония. Затем поджигающее напряжение переключается на катод молибдена и облучение проводится ионами молибдена в течение б мин и снова повторяется операция облучения ионами циркония.Износостойкость оценивали по стойкости ым сравнительным испытаниям сборного твердосплавого инструмента (четырехгранные твердосплавные пластины) при точении титановых сплавов ВТЗи ВТ 22. Стойкостные характеристики исходных принимали эа 1 (среднее значение иэ шести исследуемых пластин). Износ оценивали по ширине фаски с задней поверхности резца до 0,4 мм. В табл. 1 приведены результаты испытаний на износостойкость режущих пластин ВКи Т 15 Кб при резании титановых сплавов ВТ 22 и ВТЗдля скорости резания 40 м/мин.Зависимости износостойкости для исходных и имплантированных пластин приведены на фиг. 2 и 3.Такимобразом, предлагаемый способ позволяет повысить износостойкость при больших скоростях резания титановых сплавов, он проще в техническом исполнении (весь процесс реализуется в одной камере в постоянных вакуумных условиях) и осуществлении контроля параметров. Кроме того, сокращается время технологических операций и исключается нагрев, а также сокращается расход материала катодов в несколько десятков раз.Имплантация ионов Хг-Мо-Хг проводилась при энергии 35 кэВ, Азотирование осуществлялось при напуске азота в указанных пределах 710 -210 Па.-г -г тельно путем ионной имплантации циркония и молибдена с энергией ионов в диапазоне 25 - 45 кэВ и дозой 510 - 110 ион/см , причем сначала проводят облучениегионами циркония, затем ионами молибдена и ионами циркония, при этом азотирование поверхности осуществляют в диапазоне энергии 5 - 10 кэВ.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотирование поверхности проводят при,181 С1 О" Износостойкость прирезании сплава ОТЗТаблица 1 Износостойкось при резании сптава РТ 2г,а 10 И 10 10 10 10 10т 1 Оц 10 5 10 5 10 5 10 5 10 5 фО 5 10 510 5 10 Износостойкость прирезании ВТЗТаблица Износостойкость прирезании сплава ВТ,0 РО 30 4) Я 7 ион а, Рауш Заказ ВНИИПИ 13834, ГСП, М21873, Москва, Береж Производственное п яг 3 Подписноео О 4 О 72 О ская наб аб 24 е Пат